機(jī)器人的眼睛,一文帶你深入了解機(jī)器人視覺系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用

人類想要實(shí)現(xiàn)一系列的基本活動(dòng)，如生活、工作、學(xué)習(xí)就必須依靠自身的器官，除腦以外，最重要的就是我們的眼睛了，（工業(yè)）機(jī)器人也不例外，要完成正常的生產(chǎn)任務(wù)，沒有一套完善的，先進(jìn)的視覺系統(tǒng)是很難想象的。

機(jī)器視覺系統(tǒng)就是利用機(jī)器代替人眼來作各種測量和判斷。它是計(jì)算科的一個(gè)重要分支，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)域。圖像處理和模式識別等技術(shù)的快速發(fā)展，也大大地推動(dòng)了機(jī)器視覺的發(fā)展。

了解機(jī)器人視覺系統(tǒng)

一般來說，機(jī)器視覺系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對于每一個(gè)應(yīng)用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運(yùn)行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機(jī)、檢測目標(biāo)的尺寸還是檢測目標(biāo)有無缺陷、視場需要多大、分辨率需要多高、對比度需要多大等。

從功能上來看，典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分。

1、非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

2、具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴(kuò)展了人眼的視覺范圍。

3、長時(shí)間穩(wěn)定工作，人類難以長時(shí)間對同一對象進(jìn)行觀察，而機(jī)器視覺則可以長時(shí)間地作測量、分析和識別任務(wù)。

4、機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂等等行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，可以說已經(jīng)深入到我們的生活、生產(chǎn)和工作的方方面面。

一、系統(tǒng)構(gòu)成

視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩大部分。

（一）視覺系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

視覺系統(tǒng)的硬件主要由鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡、輸入輸出單元、控制裝置構(gòu)成。

一套視覺系統(tǒng)的好壞則分別取決于攝像機(jī)像素的高低，硬件質(zhì)量的優(yōu)劣，更重要的是各個(gè)部件間的相互配合和合理使用。

（二）視覺系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

視覺系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的課題，不僅要考慮到程序設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，還要考慮到算法的有效性，及其能否實(shí)現(xiàn)，在軟件設(shè)計(jì)的過程中要考慮到可能出現(xiàn)的問題。

視覺系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)完成還要對其魯棒性進(jìn)行檢測和提高，以適應(yīng)復(fù)雜的外部環(huán)境。

二、工作原理

機(jī)器人視覺硬件主要包括圖像獲取和視覺處理兩部分，而圖像獲取由照明系統(tǒng)、視覺傳感器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和幀存儲器等組成。機(jī)器人視覺通過視覺傳感器獲取環(huán)境的二維圖像，并通過視覺處理器進(jìn)行分析和解釋，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為符號，讓機(jī)器人能夠辨識物體，并確定其位置。

具體過程如下：

三、應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)機(jī)器視覺難點(diǎn)在于精度和速度，要求都在毫米級，且工業(yè)領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人抓手的變動(dòng)是在三維空間內(nèi)。根據(jù)功能不同，機(jī)器人視覺可分為視覺檢驗(yàn)和視覺引導(dǎo)兩種。

主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括：

1） 觸摸屏

隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對電子產(chǎn)品交互體驗(yàn)的要求越來越高，觸摸屏作為新一代的電子產(chǎn)品輸入設(shè)備正逐步成為平板電腦、手機(jī)、電子書、GPS、游戲機(jī)等設(shè)備的新寵。觸摸屏生產(chǎn)工藝復(fù)雜，從上游的ITO玻璃鍍膜、光刻、IC組件加工，到中游的觸摸屏模組貼合、絲網(wǎng)印刷、切割，再到下游的觸摸屏模組貼合、蓋板玻璃檢測，都對工藝提出更高的要求，使機(jī)器視覺技術(shù)成為相關(guān)環(huán)節(jié)生產(chǎn)和質(zhì)量檢測的必要技術(shù)。

2）FPD

FPD（Flat Panel Display）行業(yè)包括LCD、LED、OLED等多種顯示設(shè)備，各種技術(shù)工藝流程都非常復(fù)雜，其中LCD是當(dāng)前最主要的顯示技術(shù)。FPD行業(yè)對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)有極高的要求，機(jī)器視覺技術(shù)作為非接觸、高精度、高速度的生產(chǎn)，檢測能力成為不可或缺的技術(shù)手段。從前端的ITO玻璃檢測、背光模組檢測，到Cell貼合、LCD模組的COG設(shè)備、對位貼合、切割機(jī)、飛針檢測設(shè)備等，機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用提高了設(shè)備廠商的核心競爭力。

3）激光加工

技工加工是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)加工技術(shù)，利用對激光器的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)高精度的打標(biāo)、切割、雕刻、焊接等功能，隨著激光加工的工藝升級，傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)不能滿足工業(yè)加工對高精度高速度的要求。這使機(jī)器視覺技術(shù)與激光技術(shù)開始融合，同時(shí)視覺的定位和引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)高精度加工，降低了對高成本精密卡具的需求，提升設(shè)備精度，降低加工成本。

4）太陽能

太陽能作為最有價(jià)值的未來綠色能源之一，是國家重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)領(lǐng)域。短期相對的產(chǎn)能過剩對太陽能電池生產(chǎn)設(shè)備提出更高的要求，從硅錠、硅片純度、到加工鍍膜過程的質(zhì)量控制，都會銀杏最后太陽能電池片的光電裝換效率，高質(zhì)量的產(chǎn)線能夠減低廢品率，從而降低生產(chǎn)能耗與太陽能電池片產(chǎn)出比，使太陽能成為真正的清潔能源。在太陽能電池片生產(chǎn)過程中，通過機(jī)器視覺定位、測量、檢測等技術(shù)可大大提高成品率，降低生產(chǎn)成本。

5）半導(dǎo)體

半導(dǎo)體技術(shù)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的根基，也是機(jī)器視覺技術(shù)最早的發(fā)源地。上世紀(jì)90年代，歐美半導(dǎo)體企業(yè)在半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)用圖像技術(shù)，使其后來逐步發(fā)展成為今天的機(jī)器視覺技術(shù)，并成為半導(dǎo)體工業(yè)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大，行業(yè)摩爾效應(yīng)為行業(yè)工藝不斷提出挑戰(zhàn)，也對其生產(chǎn)設(shè)備中的機(jī)器視覺的要求不斷提高。

6）PCB

印制電路板PCB（Printed Circuit Board）板是電子信息產(chǎn)品主要的產(chǎn)品載體，在PCB行業(yè)發(fā)展相對成熟的今天，行業(yè)競爭激烈，對高性能設(shè)備的綜合制造能力的要求越來越高。隨著多層板、撓性板、剛撓板等PCB制造技術(shù)的發(fā)展，對PCB生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。在PCB板制造過程中機(jī)器視覺技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，在菲林AOI、PCB AOI、PCB AVI、內(nèi)層板AXI、PCB絲網(wǎng)印刷、自動(dòng)曝光機(jī)、SPI、打孔機(jī)等設(shè)備中，機(jī)器視覺定位、檢測等視覺技術(shù)可實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的質(zhì)量檢測和過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，是設(shè)備性能提升的可靠保障。

7）SMT

表面貼裝技術(shù)SMT（Surface Mount Technology）行業(yè)是繼PCB后又一重點(diǎn)電子信息產(chǎn)業(yè)，也是中國機(jī)器視覺設(shè)備商的發(fā)源地，電子元器件小型化、器件貼裝高密度化、器件管腳陣列復(fù)雜化和多樣化都給現(xiàn)代SMT設(shè)備提出更高的要求。通過運(yùn)用機(jī)器視覺視覺定位、測量、檢測檢測技術(shù)，提升SMT設(shè)備生產(chǎn)效率、提高貼裝精度、提升連續(xù)貼裝工作穩(wěn)定性。助力SMT行業(yè)的設(shè)備升級和技術(shù)提高。

8）機(jī)器人與工廠自動(dòng)化

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，在工業(yè)生產(chǎn)中替代人工執(zhí)行單調(diào)、頻繁、長時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，如沖壓、壓力鍛造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工和簡單裝配等工序，是現(xiàn)代工廠的自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人與視覺技術(shù)結(jié)合，能完成更精準(zhǔn)的組裝、焊接、處理、搬運(yùn)等工作。

9）制藥

藥品的生產(chǎn)和加工過程是非常嚴(yán)格的管理過程，任何微小的差錯(cuò)都有可能造成嚴(yán)重的后果。通過機(jī)器視覺手段實(shí)現(xiàn)對藥品生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制和管理控制，提升藥品質(zhì)量和包裝質(zhì)量，保障患者的生命安全。

10）物流

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)流程管理是現(xiàn)代化生產(chǎn)效率和先進(jìn)性的體現(xiàn)，通過對條碼和字符的識別和跟蹤，能夠形成原材料器件、產(chǎn)成品、包裝箱、產(chǎn)品垛之間的一一對應(yīng)，使現(xiàn)代生產(chǎn)具備可管理、可追溯型。對于工業(yè)品的生產(chǎn)工業(yè)管理和器件追溯，對于食品飲料防止串貨和安全追溯，汽車行業(yè)的零部件追溯有著非常重要的應(yīng)用意義。

11）汽車

汽車行業(yè)作為一個(gè)自動(dòng)化程度比較高的高科技行業(yè)，很多先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)成功的運(yùn)用到該行業(yè)各個(gè)生產(chǎn)流程中。在汽車制造的許多環(huán)節(jié)已經(jīng)做到了無人化操作，這樣就要求有一種可靠的檢測技術(shù)去驗(yàn)證每一次裝配的正確性及裝配部件的合格性。機(jī)器視覺技術(shù)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢成為自動(dòng)檢測系統(tǒng)的首選。機(jī)器視覺已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于汽車生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，例如汽車零部件的尺寸及外觀質(zhì)量檢測，自動(dòng)裝配正確性的檢測。以前傳統(tǒng)的檢測方式耗費(fèi)大量人力，而且容易受到工人主觀情緒及自身技術(shù)水平的影響，不能保證很高的檢驗(yàn)合格率。許多汽車制造廠家開始嘗試使用機(jī)器視覺檢測來替代傳統(tǒng)的檢測方式，并取得了良好的效果。

12）OCR

光學(xué)字符識別OCR（Optical Character Recognition）在很多行業(yè)中，比如印刷包裝、物流行業(yè)，大量涉及印刷質(zhì)量檢查、包裝質(zhì)量檢查以及產(chǎn)品包裝上的條碼檢查和字符識別等環(huán)節(jié)。這些應(yīng)用的共同特點(diǎn)是，連續(xù)大批量生產(chǎn)、對外觀質(zhì)量的要求高，具有高度重復(fù)性和智能性。利用機(jī)器視覺的精度、速度以及工業(yè)環(huán)境下的可靠性，來進(jìn)行字符識別、條碼識別實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中自動(dòng)高效的測量、檢查和辨識。

傳統(tǒng)制造業(yè)面臨新的顛覆，轉(zhuǎn)型升級將給中國自動(dòng)化行業(yè)帶來巨大的市場機(jī)遇。而機(jī)器視覺作為自動(dòng)化界高智能化產(chǎn)品，未來具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

中國的電子制造和代工廠商過去幾年正在采購大量自動(dòng)化設(shè)備取代人工，以應(yīng)對中國愈演愈烈的缺工現(xiàn)象，未來幾年這一現(xiàn)象將達(dá)到高潮。自動(dòng)化換裝高潮將在未來2-3年內(nèi)到來，必將為機(jī)器視覺產(chǎn)品在該行業(yè)的應(yīng)用帶來新的增長點(diǎn)。